«Узоры» на кристаллах сделали кремниевый фотодетектор в два раза чувствительнее к свету

Исследователи из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) с коллегами описали, как поверхность монокристаллического кремния изменяется при обработке лазером. Авторы поместили кристалл в раствор органического спирта метанола и подавали на образец лазерные импульсы продолжительностью в квадриллионные доли секунды (на 15 порядков меньше секунды). При этом количество импульсов, попадающих на каждый квадратный микрометр (миллионную долю квадратного миллиметра) поверхности, меняли от пяти до пятидесяти.

«Мы несколько изменили принятую научным сообществом методику лазерной обработки: мы провели ее, когда материал находился не в воздушной среде, а в жидкой — метаноле. Это позволило предотвратить окисление кремния кислородом, избежать попадания какого-либо мусора на поверхность материала, а также сформировать регулярные и плотные наноструктуры», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Сюбаев, младший научный сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Эксперимент показал, что при небольшом количестве импульсов (5–10) на поверхности кристалла создаются объемные наноструктуры, которые формируют рисунок из параллельных выпуклых полос. Когда на каждый квадратный микрометр кремния подавали 25–50 лазерных импульсов, «узор» из полос превращался в «лабиринт» из выпуклостей неправильной формы. Это объясняется тем, что при интенсивной лазерной обработке материал нагревается и частично плавится, что приводит к его перераспределению и изменению структуры поверхности.

Кроме того, авторы выяснили, как меняется «узор» на поверхности кристалла в зависимости от поляризации лазерного луча. Поляризация — это характеристика, которая отражает, как векторы (то есть направления распространения) электрического и магнитного полей световой волны ориентированы в пространстве. Так, если колебания вектора электрического поля происходят в какой-то одной плоскости, то лазер может формировать на поверхности как параллельные линии, так и шарообразные структуры. Когда же вектор электрического поля вращается в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, на поверхности кристалла формируются только шарообразные выпуклости. Если дополнительно использовать оптический элемент, изменяющий поляризацию, то можно получить условия, когда колебания вектора электрического поля в любой точке окажутся перпендикулярным по отношению к оси светового луча. Тогда лазерный пучок будет похож на бублик, а при обработке им поверхности будут получаться наноструктуры, внешне напоминающие колосок пшеницы.